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Determinación experimental del daño transversal en la matriz de un material compuesto mediante la utilización de un sistema de emisiones acústicas

De
159 pages

The research of matrix cracking in a composite material laminate is of paramount importance nowadays. Although it is not a catastrophic damage mode, intralaminar cracking causes the appearance of other more critical damage modes that may lead to the failure of the material. In this project, detection of transversal matrix cracking has been developed in a composite material laminate throughout an Acoustic Emssions system (AE). Intralaminar cracks appear as longitudinal strain increases. In order to calibrate and validate this detection system, radiographies from tested specimens have been performed. The number of cracks is counted on the radiographies of each specimen and this number is contrasted with the results recorded by the AE system. The fabrication of the composite material laminates has been performed. The composite material employed is a unidirectional carbon/epoxy prepreg. The curing cycle was executed into an oven by means of vacuum bag processing. Subsequently, the plates obtained were prepared for tensile testing with a Universal Testing Machine. The results support the existence of a correlation between the acoustic emissions detected by the AE system and the formation of intralaminar cracks shown through the radiographies. ___________________________________________________________________________________________________________________
El estudio de la aparición de fisuras en la matriz de un material compuesto es de gran relevancia hoy en día. Este tipo de daño, aunque no catastrófico, provoca la aparición de otros tipos de daño más severos que pueden llevar a la rotura del material. En este proyecto, se ha llevado a cabo la detección de la formación de fisuras transversales en un material compuesto laminado haciendo uso de un sistema de Emisiones Acústicas (AE). Este sistema no había sido utilizado anteriormente. La calibración y validación de dicho sistema han sido realizadas mediante el uso de radiografías. A través de éstas se han contabilizado las fisuras aparecidas en cada una de las muestras ensayadas, las cuales han sido comparadas con los resultados obtenidos por el sistema AE. Para la realización de estos ensayos, ha sido necesario fabricar laminados de material compuesto. El material empleado ha sido un prepreg unidireccional de fibra de carbono en matriz epoxi. Se ha realizado su curado en un horno mediante la técnica de bolsa de vacío. Posteriormente, las planchas obtenidas han sido preparadas para la realización de las pruebas en una máquina universal de ensayos. Las fisuras intralaminares se generan a medida que aumenta la deformación longitudinal. Los resultados obtenidos demuestran que existe una correlación entre las emisiones acústicas detectadas por el sistema AE y la formación de fisuras intralaminares observadas en las radiografías.
Ingeniería Industrial
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Universidad Carlos III de Madrid

Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de
Estructuras



DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL DAÑO TRANSVERSAL EN LA
MATRIZ DE UN MATERIAL COMPUESTO MEDIANTE LA
UTILIZACIÓN DE UN SISTEMA DE EMISIONES ACÚSTICAS

Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial

AUTORA: Ana María Abad Blázquez
TUTORES: Dr. Ever J. Barbero (West Virginia University, Morgantown, USA)
Dr. Carlos Navarro Ugena (Universidad Carlos III de Madrid)

Febrero 2012





Agradecimientos

En primer lugar me gustaría agradecer al profesor Carlos Navarro la confianza
depositada y la oportunidad de poder realizar este proyecto en Estados Unidos. También me
gustaría agradecer su insistencia en la importancia de vivir una experiencia en el extranjero.
Mi más profundo agradecimiento al profesor Ever J. Barbero de la West Virginia
University por toda su ayuda, consejo y cariño tan especial que hizo que mi primera estancia
en el extranjero fuera una experiencia inolvidable. Agradezco no solo su apoyo profesional
sino también su trato personal fuera de la universidad.
Mi agradecimiento más especial va dirigido hacia Miguel, por todo su cariño,
comprensión y ayuda incondicional durante todos estos años de carrera. Nada hubiera sido
posible sin ti.
No obstante, mi mayor agradecimiento es para mis padres, Ana y Pedro, quienes me
han apoyado desde el primer momento de la carrera y siempre han estado animándome,
tanto en los buenos como en los malos momentos, que no han sido pocos.
Me gustaría dar las gracias a mi hermana Laura, a mi abuela Luisa y al resto de mi
familia por toda la comprensión y el apoyo que me han dado en todo momento.
También quería mencionar a mis compañeros de universidad, Jesús, Vanesa… (no es
posible mencionarlos a todos) por su amistad desde los primeros días de clase.
Tantos recuerdos…
Así mismo, muchas gracias al profesor Hermann Alcázar y a Ruth (West Virginia
University) por su ayuda en el inicio del proyecto.










Abstract

The research of matrix cracking in a composite material laminate is of paramount
importance nowadays. Although it is not a catastrophic damage mode, intralaminar cracking
causes the appearance of other more critical damage modes that may lead to the failure of
the material.
In this project, detection of transversal matrix cracking has been developed in a
composite material laminate throughout an Acoustic Emssions system (AE). Intralaminar
cracks appear as longitudinal strain increases. In order to calibrate and validate this
detection system, radiographies from tested specimens have been performed. The number
of cracks is counted on the radiographies of each specimen and this number is contrasted
with the results recorded by the AE system.
The fabrication of the composite material laminates has been performed. The
composite material employed is a unidirectional carbon/epoxy prepreg. The curing cycle
was executed into an oven by means of vacuum bag processing. Subsequently, the plates
obtained were prepared for tensile testing with a Universal Testing Machine.
The results support the existence of a correlation between the acoustic emissions
detected by the AE system and the formation of intralaminar cracks shown through the
radiographies.

I


Resumen

El estudio de la aparición de fisuras en la matriz de un material compuesto es de gran
relevancia hoy en día. Este tipo de daño, aunque no catastrófico, provoca la aparición de
otros tipos de daño más severos que pueden llevar a la rotura del material.
En este proyecto, se ha llevado a cabo la detección de la formación de fisuras
transversales en un material compuesto laminado haciendo uso de un sistema de Emisiones
Acústicas (AE). Este sistema no había sido utilizado anteriormente. La calibración y
validación de dicho sistema han sido realizadas mediante el uso de radiografías. A través de
éstas se han contabilizado las fisuras aparecidas en cada una de las muestras ensayadas, las
cuales han sido comparadas con los resultados obtenidos por el sistema AE.
Para la realización de estos ensayos, ha sido necesario fabricar laminados de
material compuesto. El material empleado ha sido un prepreg unidireccional de fibra de
carbono en matriz epoxi. Se ha realizado su curado en un horno mediante la técnica de bolsa
de vacío. Posteriormente, las planchas obtenidas han sido preparadas para la realización de
las pruebas en una máquina universal de ensayos.
Las fisuras intralaminares se generan a medida que aumenta la deformación
longitudinal. Los resultados obtenidos demuestran que existe una correlación entre las
emisiones acústicas detectadas por el sistema AE y la formación de fisuras intralaminares
observadas en las radiografías.


II


III

Índice

1. Introducción
1.1. Motivación 1
1.2. Objetivos 3
1.3. Estructura de este proyecto 4

2. Revisión de literatura
2.1. Aparición de fisuras transversales 6
2.2. Procesos de fabricación de materiales compuestos 11
2.2.1. Fabricación por moldeo a mano y mediante el uso de prepregs 11
2.2.2. Materiales preimpregnados 13
2.2.2.1. Precompresión (Debulking) 16
2.2.3. Bolsa de vacío y Autoclave 16
2.2.4. Curado de materiales sin utilizar autoclave 20
2.3. Técnica de Emisiones Acústicas 21
2.4. Técnica de raxos-X 23


3. Desarrollo experimental
3.1. Resumen del procedimiento experimental 24
3.2. Fabricación del material 26
3.2.1. Descripción del material 26
3.2.2. Ciclo de curado 32
3.2.3. Procesado en bolsa de vacío 35
3.2.3.1. Procedimiento para la fabricación de la bolsa 39
3.3. Preparación de las muestras 43
3.3.1. Introducción 43
3.3.2. Corte 44
3.3.3. Colocación de las galgas extensométricas 46
3.3.3.1. Pasos a seguir para la colocación de una galga 47
3.3.4. Colocación de los micrófonos 52
3.3.5. Colocación de los tabs 53
3.4. Máquina Universal de Ensayos 54
3.4.1. Elementos y descripción 54

IV

3.5. Máquina de Rayos-X 55
3.5.1. Descripción 55
3.5.2. Procedimiento 58
3.5.2.1. Preparación del líquido penetrante 58
3.5.2.2. Aplicación del líquido sobre la muestra 58
3.5.2.3. Exposición y revelado de la radiografía 59
3.6. Sistema de Emisiones Acústicas 61
3.6.1. Descripción del sistema y sus aplicaciones 61
3.6.2. Parámetros básicos 63
3.6.3. Teoría de localización 65
3.6.4. Configuración del sistema de adquisición de datos de AE 67
3.6.4.1. Cálculo de la velocidad 67
3.6.4.2. Entradas analógicas: fuerza y deformación 69
3.7. Esquema del sistema completo 70

4. Resultados experimentales 72
4.1. Laminados en los que domina el modo I de fractura 74
4.1.1. Validación y filtrado de las emisiones acústicas: laminado A 74
4.1.2. Validación y filtrado de laes acústicas: laminado B 85
4.1.3. Resultados para los laminados A y B 96
4.1.3.1. Laminado A 96
4.1.3.2. Laminado B 99
4.2. Laminados en los que aparece el modo II de fractura 102
4.2.1. Validación y filtrado de las emisiones acústicas: laminado C 102
4.2.2. Validación y filtrado de laes acúaminado D 113
4.2.3. Resultados para los laminados C y D 123
4.2.3.1 Laminado C 123
4.2.3.2 Laminado D 127

5. Conclusiones y trabajos futuros 130
5.1. Resumen y conclusiones 130
5.2. Trabajos futuros 132

Anexo: Radiografías 133

Referencias 142

V

Índice de figuras

Capítulo 2

2.1. Representación esquemática de la distancia entre dos fisuras consecutivas 7
2.2. Gráficas que muestran la densidad de fisuras frente a la deformación para tres
laminados con diferentes orientaciones (modelo analítico y resultados
experimentales). El material empleado es fibra de vidrio-E/epoxi 8
2.3. Gráficas que muestran la densidad de fisuras frente a la deformación para tres
laminados con diferentes orientaciones (resultados experimentales) 9
2.4. Fabricación de materiales compuestos mediante moldeo a mano (izquierda) y
mediante el uso de prepregs (derecha) 13
2.5. Material prepreg unidireccional 14
2.6. Matrepreg tejido 14
2.7. Esquema de una bolsa de vacío y sus componentes 17
2.8. Representación de una bolsa de vacío y sus componentes 18
2.9. Fotografía de una bolsa de vacío 18
2.10. Fotografía de un autoclave 19
2.11. Liberación de energía en función del tipo de mecanismo de daño 21
2.12. Radiografía de una probeta de fibra de carbono/epoxi sometida a una
deformación de 1,33% 23

Capítulo 3

3.1. Material MTM45-1 durante el proceso de apilado de las láminas 27
3.2. Rollo de material prepreg MTM45-1 27
3.3. Representación esquemática del laminado A 28
3.4. Representación esquemática dado B 29
3.5. Representación esquemática del laminado C 30
3.6. Imagen con la disposición de las láminas del laminado C 30
3.7. Representación esquemática del laminado D 31
3.8. Ciclo de curado del material: Temperatura frente a Tiempo 34
VI